7.3. Вакуумные люминесцентные индикаторы

Принцип действия вакуумных люминесцентных индика­торов (ВЛИ) основан на использовании явления люминес­ценции, возникающей в катодолюминофорах при возбужде­нии их электронным пучком. В отличие от высоковольтной катодолюминесценции, используемой в ЭЛТ, в ВЛИ имеет место низковольтная люминесценция. Этим устраняется один из главных недостатков ЭЛТ – высокое ускоряющее напряжение.                                                      

Катодолюминесценция возникает при достижении электронами вполне определенной энергии ∙UL, где UL – потенциал начала катодолюминесценции. У большинства ма­териалов, образующих группу высоковольтных катодолюминофоров, применяемых в ЭЛТ, UL исчисляется сотнями вольт.   

Более 60 лет назад был  обнаружен  ряд веществ, у которых потенциал начала катодолюминесценции составляет единицы вольт   (для ZnS UL = 6–7 В, для Zn,CdS         UL = – 4–5 В). Однако отсутствие практической потребности в таких материалах долгие годы не стимулировало детального изучения низковольтной катодолюминесценции.

Если при высоковольтной катодолюминесценции электроны проникают вглубь вещества, то при малой энергии электронов свет излучается из поверхностного слоя, толщина которого составляет несколько атомных слоев. Вместе с этим ввиду миграции

свободных носителей в глубинные слои зона люминесценции оказывается существенно обширнее.

С увеличением энергии первичных электронов число порождаемых электронно-дырочных пар пропорционально увеличивается. Максимальная теоретическая яркость катодолюминесценции составляет 1600 кд/м2 при плотности тока 1 мА/см2, энергии электронов 20 эВ, энергетическом выходе 25–30 %.

Малая глубина проникновения первичных электронов обуслов­ливает высокую локальную плотность возбуждений в поверхност­ных слоях люминофора. Это может привести к нелинейной зависи­мости яркости от плотности тока и даже насыщению. Возможны так­же перегрев люминофора и температурное гашение люминесценции.

Люминофор для ВЛИ должен удовлетворять ряду тре­бований:

1. Ширина запрещенной зоны ΔW – не более 3–4 эВ. В противном случае условный квантовый выход становится слишком малым.

2. Высокая электропроводность. Согласно оценкам, сопротивление слоя не должно превышать единиц — килоом. Именно по этой причине большинство люминофоров, применяемых в ЭЛП, не годится для ВЛИ, поскольку они являются или изоляторами, или полностью компенсированными полупроводниками. Необходимое значение электропроводности можно обеспечить использованием люминофоров на проводящей основе (ZnO:Zn; SnO2:Eu; (Zn1-X, CdX)S : Ag, Al); смешанных люминофоров (ZnS : Ag + In2O3; ZnS:Cu + ZnO; Y2O2S… Eu + SnO2) и легированных люминофоров ZnS : Ag, Zn, Al.

3. Низкий потенциал начала катодолюминесценции. Даже при малом сопротивлении слоя люминофора  он оказывается непригодным для использования во ВЛИ, если UL  = 10–12В.

4. Высокая светоотдача. В  ходе исследования свойств смесей люминофоров с проводящими порошками было обнаружено, что цвет свечения многих таких композиций зависит от анодного напряжения. Например, у смеси SnO2 : Eu  и ZnS:Cl, Al цвет свечения при изменении U от 20 до 60 В меняется с оранжевого на желто-зеленый. Определенное влияние имеет соотношение масс компонент.

При длительной бомбардировке люминофора яркость его свечения изменяется, причем в этом процессе можно вы­делить три этапа:

1) начальное изменение;

2) этап ста­бильной яркости;

3) этап выраженного старения.

Первый этап вызван установлением стационарного состояния поверхности люминофора. Критерием длительности второго этапа является снижение яркости до 50–70 % от начального значения. Яркость свечения на этом этапе уменьшается в связи с действием различных химических процессов в люминофоре, приводящих, в частности, к восстановлению ZnO до металлического Zn.  

Факторы, обусловливающие этап выраженного старения, таковы: изменение поверхностных потенциальных барьеров и электропроводности слоя, химическое воздействие напыленных материалов, возникновение поверхностных безызлучательных центров, поглощение излучения в почерневшем поверхностном слое люминофора. Особенно быстро чернеет поверхность люминофора при повышении температуры катода.

Устройство, параметры и характеристики

Вакуумные люминесцентные индикаторы выпускаются в цилиндрических и плоских баллонах. Первые бывают как одноразрядными, так и многоразрядными, вторые – толь­ко многоразрядными.

Основа одноразрядного ВЛИ – стеклянная или керами­ческая плата, на которой закреплены все остальные детали индикатора (рис. 7.3). В углублениях платы, выпол­ненных в виде сегментов, находится проводящий слой, сое­диненный с контактами. Каждый сегмент имеет отдельный вывод. Проводящие слои сегментов полностью покрыты лю­минофором. На передней стороне платы в направлении счи­тывания устанавливается плоский металлический экрани­рующий электрод. Отверстия в этом электроде расположены напротив соответствующих сегментов, покрытых люмино­фором. На небольшом расстоянии от экранирующего элект­рода натянута управляющая сетка. В свою очередь, на ма­лом расстоянии от плоскости сетки, примерно параллельно оси лампы, расположен прямонакальный оксидный катод. Вся эта система помещена в цилиндрическую стеклянную колбу, которая изнутри покрыта прозрачным проводящим слоем.

В исходном состоянии для надежного запирания элект­ронного тока и предотвращения нежелательного свечения люминофора к сетке прикладывается отрицательное напря­жение смещения – несколько вольт по отношению к катоду.

При положительном напряжении на управляющей сет­ке электроны ускоряются в направлении анодных сегментов. Задача управляющей сетки состоит еще и в том, чтобы обеспечивать возможно более равномерное распределение плот­ности потока электронов на поверхности анода индикатора.

Экранирующий электрод имеет тот же потенциал, что и уп­равляющая сетка. Электроны попадают на сегменты, имею­щие в данный момент положительный потенциал; возникает низковольтная катодолюминесценция – нанесенный на анодный сегмент люминофор начинает светиться. Яркость свечения в зависимости от применяемого люминофора до­стигает значений 300–700 кд/м2 и более.

Развитием цилиндрического ВЛИ явилась конструкция индикатора в плоском баллоне (рис. 7.4).

Кроме 7-сегментных плоских ВЛИ разработаны также 14-сегментные индикаторы – ВЛИ, знакоместо которого выполнено в виде точечной матрицы 5×7 или 7×12 элементов, матричные, аналоговые и цифроаналоговые.                                                 

Первые два типа индикаторов обеспечивают представление всех букв, цифр и большого числа символов. Матричные ВЛИ состоят из большого числа светоизлучающих элементов. Такой индикатор позволяет отображать буквенно-цифровые сообщения, графики и даже несложные движущиеся изображения. 

Обычно в матричном индикаторе одна сетка покрывает один столбец светоизлучательных элементов (рис. 7.5, а). Управление индикатором осуществляется по сеточным цепям. При работе яркость свечения отдельного элемента непостоянна по площади, а снижается к краям (рис. 7.5, б) поскольку на них попадает меньше электронов, чем на центральную часть элемента. В этом проявля

ется влияние со­седних сеток, имеющих отрицательный потенциал. С целью устранения этого недостатка разработана усовершенствованная конструкция матричного ВЛИ. В нем каждая сетка покрывает 2 столбца излучающих элементов (рис. 7.6, а). Управление осуществляется как по сеточным, так и по анод­ным цепям. Такая структура особенно успешно применяется при высокой внешней освещенности индикатора.

Управ­ляющее положительное напряжение одновременно подается на две соседние сетки и два расположенных под ними анода. В результате яркость свечения элементов оказывается рав­номерной (рис. 7.6, б). Другие достоинства этой конструкции со­стоят в том, что число управляющих сеток уменьшено на половину (может быть понижена скважность) и обеспечивается большая яркость за счет одновременного излучения света двумя столбцами элементов.

Перспективным является использование ВЛИ для создания индикаторов коллективного пользования как одноцветных, так и полицветных. Для этих целей применяются ин­дикаторы следующих типов: матричный «столбик», т. е. диод, имеющий прямонакальный катод и семь светоизлучающих элементов-анодов. Из таких «столбиков» может быть наб­рана матричная строка высотой 7 элементов и любой длины; матричное «знакоместо» формата 5×7 элементов, предназначенное для набора строк. Такие индикаторы могут быть двух- и трехцветными, при этом светоизлучающие элементы различных цветов располагаются парами или триадами, сохраняя общий формат знакоместа; «элемент матричного поля», т. е. ВЛИ цилиндрической формы с торцевым выходом излучения, из которых формируется уже не строка, а матричное поле любого размера. Отдельные индикаторы могут быть одноцветными (с различным цветом свечения, располагаемые парами или триадами) или двух- и трехцветными.

Несмотря на широкое применение цифровой индикации, в целом отдавалось и отдается предпочтение аппаратуре с аналоговой индикацией. Для этого используются аналоговые ВЛИ, основными конструктивными типами которых яв­ляются линейно-полосовой и концентрически-полосовой. Такие индикаторы имеют дискретный анод, состоящий из большого числа отдельных элементов (штрихов), располо­женных вдоль прямой линии или по окружности. В послед­ние годы наблюдается тенденция сочетать цифровую и ана­логовую формы индикации, что обусловило появление циф­ро-аналоговых ВЛИ.

Наиболее удобный в работе и одновременно дешевый люминофор – это окись цинка, активированная цинком ZnO : Zn, дающий интенсивное сине-зеленое свечение. Для повышения контраста целесообразно покрывать ВЛИ нейтральными фильтрами.

Светофильтр, близкий к оптимальному для ВЛИ, который сохраняет доминирующую длину волны излучения и увеличивает насыщенность цвета без существенно

го сниже­ния яркости, должен удовлетворять следующим требова­ниям: цветность 0,2<х<0,35; 0,57<у<0,75; максимальный коэффициент пропускания в диапазоне длин волн 0,526– 0,542 мкм, 35–50 % при L = 250–500 кд/м2.

Каковы возможности создания ВЛИ с иным, кроме сине-зеленого, цветом свечения?

Во-первых, с помощью светофильтров можно получить цвет от синего до красного при использовании ZnO : Zn.



Яркость этих цветов оказывается достаточной, если яркость исходного свечения составляет приблизительно 1000 кд/м2. Во-вторых, использованием люминофоров других цветов свечения (табл. 7.1). Таким образом, можно создать ВЛИ с различным, но одним цветом свечения. Полицветный индикатор реализуют за счет конструктивных изменений и спе­цифических способов управления.

Таблица 7.1 Характеристики цветных люминофоров для ВЛИ

Цвет свечения

Состав люминофора

Длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики, мкм

Цветовые координаты

Х

У

Синий

ZnS:Ag + In2O3

0,4500

0,16

0,12

Сине-зеленый

ZnO:Zn

0,5100

0,25

0,44

Зеленый

(Zn, Cd)S:Ag

ZnS:Cu

0,5250

0,5300

0,28

0,33

0,59

0,60

Лимонный

ZnS:Au, Al + In2O3

0,5500

0,39

0,56

Желтый

ZnS:Mn + In2O3

0,5850

0,52

0,47

Красный

(Zn, Cd)S: Ag + In2O3

0,6260

0,67

0,33

Например, двухцветный индикатор можно получить, если удвоить число сегментов и покрыть их люминофорами выбранных цветов (рис. 7.7, а). Правда, при этом увеличивается число выводов, а символ при изменении цвета смещается. Управление осуществляется по анодной цепи.

Полицветный индикатор с сеточным управлением несколько отличается расположением светоизлучающих элементов (рис. 7.7, б). Однако конструкция его сложнее, поскольку кроме общей сетки в прибор еще вводятся сетки, соответствующие светоизлучающим элементам каждого из цветов. Изменением потенциалов сеток можно менять цвет свечения. Очевидно, что упомянутыми способами реально можно создать трехцветные индикаторы, особенно если одновременно необходимо обеспечить высокую разрешающую способность. Наконец, как уже отмечалось, цвет свечения ряда люминофоров зависит от анодного на­пряжения, что позволяет создавать полицветные ВЛИ про­стой конструкции с электрическим переключением цветов.

Завершая рассмотрение люминофоров разных цветов, отмечаем, что ZnO : Zn и сейчас остается единственным люминофором, обеспечивающим высокую яркость по сравнению с другими. Однако необходимости добиваться непремен

ного равенства яркости свечения люминофоров разных цветов нет. Это объясняется особенностью зрения, заключающейся в том, что глаз воспринимает как равнояркие излучения синего LB, красного LR и зеленого LG люминофоров при соотношении яркостей:

LB : LR : LG = 0,45:0,65:1,0.

Что касается выбора режимов работы ВЛИ, то они опре­деляются в основном требованием к яркости свечения индикатора и допустимыми значениями токов, напряжений, дли­тельности импульсов, подаваемых на анод и сетку, и их скважности.

Возможность дальнейшего повышения разрешающей способности матричных и аналоговых ВЛИ определяется главным образом технологией нанесения светоизлучающих элементов на стеклянную или керамическую плату. Прогнозируется достижение разрешающей способности до 25 эл./см на матрице размером около 250×250 мм.

Кроме повышения разрешающей способности разработчики ВЛИ стремятся решить еще несколько задач.

Во-первых, понизить управляющие напряжения, что приведет к повышению коэффициента полезного действия и возможности управления индикатором с помощью низкопороговых микросхем. Для решения этой задачи основные усилия направляются на улуч­шение технологии изготовления материалов для ВЛИ. Во-вторых, уменьшить потребляемую мощность. Очевидно, что во ВЛИ боль­шую часть потребляемой мощности составляет мощность, потребляе­мая цепью накала. Снизив эту составляющую, например, за счет уменьшения потерь на катоде, можно добиться существенного выигрыша. Другим способом является синтез люминофоров с повышенной светоотдачей и низким управляющим напряжением. В-третьих, уменьшить габаритные размеры ВЛИ, точнее, более эффективно использовать пространство в колбе индикатора.

В настоящее время выпускается значительное количество типов ВЛИ: одноразрядные, многоразрядные, сегментные в цилиндрических и плоских баллонах, матричные, анало­говые и др.

Большинство индикаторов выпускается вместе с хорошо организованной схемой управления и питания. Потребляемая мощность у 10-разрядного ВЛИ 1,33 Вт, у 40-разрядного 2,66 Вт, высота знаков – от 5 до 15 мм, ударная прочность 100 g, цвет свече­ния – сине-зеленый, изменяющийся до синего, зеленого или желтого с помощью ацетатных или акриловых фильтров. На основе матричных ВЛИ также разработаны и выпускаются модули.

Развитием этих устройств является ряд универсальных модулей с индикаторами различных размеров, наибольшие из которых имеют 256×256 элементов, что обеспечивает индикацию на площади 167,5×167,5 мм2. Способ управления такими индикаторами предполагает увеличение числа выводов, управляющих напряжений, он одновременно позволяет повысить яркость до 700 кд/м2 и светоотдачу люминофора до 5,2 лм/Вт.                                                                                                 

Для управления индикатором использовалась матрица из полевых МДП-транзисторов. В этом же устройстве, по-видимому, впервые для ВЛИ был реализован режим с внутренней памятью. Использовалась хорошо известная схема, содержащая для каждого светоизлучающего элемента два транзистора и один конденсатор. Такая схема позволяет сохранить на низком уровне как площадь элемента изображения, так и потребляемую управляющей схемой мощность. Была достигнута яркость до 17 000 кд/м2 при Ua – 30 В. Получение таких огромных значений яркости открывает возможность создания малого проекционного индикатора, работающего при низких напряжениях.

Отечественная промышленность выпускает более 50 типов ВЛИ: одно- и многоразрядные сегментные, аналоговые, аналого-цифровые, матричные, зеленого цвета свечения и полицветные. Дальнейшее совершенствование ВЛИ должно идти по пути создания полицветных ВЛИ разных типов, мнемонических и, главное, матричных индикаторов с большим числом светоизлучающих элементов (или знакомест). Особо

выделены разработки, направленные на создание ВЛИ, совмещенных со схемой управления, которые, как предполагается, будут преобладать в следующем поколении таких индикаторов.